摘要：在AC-DC SMPS應(yīng)用中,，通常會在輸入級使用功率橋式整流器，將交流電壓轉(zhuǎn)換為單向的直流電壓,。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中,，還會使用大容量電容器作為紋波濾波器，來穩(wěn)定總線電壓,，這會導致功率因數(shù)性能較差,，并將諧波污染反饋到電網(wǎng)。為了改善功率因數(shù)和諧波電流,，通常需要使用PFC電路,。但額外增加一個功率級意味著會降低系統(tǒng)效率和可靠性。在本文中,，我們提出了一種基于單電感結(jié)構(gòu)的單級AC-DC拓撲結(jié)構(gòu),，具備PFC和LLC功能。該拓撲結(jié)構(gòu)保留了傳統(tǒng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器的零電壓開關(guān)（ZVS）優(yōu)勢,，同時實現(xiàn)了高功率因數(shù)性能,。

　　關(guān)鍵詞： 單級轉(zhuǎn)換器、AC-DC、功率因數(shù),、LLC

　　1.背景

　　在AC-DC SMPS應(yīng)用中,，橋式整流器被用于將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流總線電壓，并為第二級的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器供電,。其中,，電流與輸入電壓的不匹配會給電網(wǎng)帶來大量的諧波反饋。因此,，電子儀器在接入電網(wǎng)時，需要遵循相關(guān)標準規(guī)定的功率因數(shù)規(guī)范和諧波限制,。為了解決這些問題,，在大多數(shù)AC-DC應(yīng)用中，通常會使用功率因數(shù)校正技術(shù),。

　　2.單級AC-DC拓撲結(jié)構(gòu)

　　在本文中,，我們提出了一種整合了PFC功能的單電感結(jié)構(gòu)LLC諧振拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示,。這個拓撲結(jié)構(gòu)由升壓電路和半橋LLC電路組成,，二者使用同一對開關(guān)MOS Q1和Q2。L1是升壓電路的主電感,。當升壓電路的MOSFET Q1和Q2開始交替開關(guān)時,，L1可以平滑輸入電流、減少相位失配,、提高PF值,，同時實現(xiàn)LLC諧振轉(zhuǎn)換。一次側(cè)的Q1,、Q2均可在ZVS模式下工作,，二次側(cè)SR MOS可以在ZCS（零電流開關(guān)）模式下工作。這可以有效地提高整個系統(tǒng)的效率,。

　　圖1 具有高功率因數(shù)的單級AC-DC拓撲結(jié)構(gòu)

　　1.工作原理與狀態(tài)分析

　　在一個完整的開關(guān)周期中,，我們可以將這個單極AC-DC轉(zhuǎn)換器分為8個工作狀態(tài)（包括死區(qū)時間）。為加深理解,，我們將逐個分析這些工作狀態(tài),。

　　圖2：工作狀態(tài)1（t0-t1）

　　狀態(tài)1（t0-t1）：如圖2所示，藍框圈出的部分不參與該工作狀態(tài),，彩色箭頭表示電流的流動方向,，其中，紅色為PFC,，綠色為LLC,。在狀態(tài)1中，Q1和Q2關(guān)斷，L1處于放電模式,，連續(xù)的電感電流流經(jīng)Qd1的體二極管,、儲能電容C3，然后流經(jīng)D6和C2回到L1,。同時,，在LLC諧振回路中，電流從諧振回路的上端流過Qd1和C3,，回到諧振回路的另一端,。在二次側(cè)，D7 導通,，為輸出電容器C4充電并為負載供電,。由于體二極管Qd1在導通模式下工作，Q1的VDS被限制在體二極管正向電壓,，在此周期結(jié)束時,，Q1準備導通， ZVS實現(xiàn),。

　　圖3：工作狀態(tài)1（t1-t2）

　　狀態(tài)2（t1-t2）：如圖3所示,，在這個工作狀態(tài)中，Q1切換到導通狀態(tài),，L1繼續(xù)放電,，電感電流流經(jīng)Q1、C3,、D6和C2,，然后回到L1。電容器C3仍處于充電模式,。在LLC電路中,，諧振回路繼續(xù)放電，直至耗盡,，此時電流仍從Lr和Cr流出,，來對C3充電（如圖3a所示）。充電電流降到0后,，耗盡的諧振網(wǎng)絡(luò)將得到升壓電感的短時間充電,，電流變成反向（如圖3b所示）。在整個工作狀態(tài)2中,，變壓器磁感Lm的極性保持在正極接地,。在二次側(cè)，D7保持導通,，并為輸出負載供電,。

　　圖4：工作狀態(tài)3（t2-t3）

　　工作狀態(tài)3（t2-t3）：如圖4所示,，L1完全放電，C3變成放電模式,，為整個系統(tǒng)供電,。電容器C1放電電流流經(jīng)Q1，為L1充電,，并通過D5循環(huán)回來,。C3的放電電流還經(jīng)過諧振網(wǎng)絡(luò)，通過變壓器傳輸電能,，一次側(cè)繞組的極性仍然保持為上面為正極,，而二次側(cè)繞組電流繼續(xù)流經(jīng)D7，為輸出負載供電,。

　　圖5：工作狀態(tài)4（t3-t4）

　　工作狀態(tài)4（t3-t4）：如圖5所示,，t3期間，諧振電流等于勵磁電感Lm中的勵磁電流,，不再有電流流向變壓器的一次側(cè)繞組，電能傳輸結(jié)束,，二次側(cè)的二極管D7在ZCS 模式中自然關(guān)閉,，正半周功率傳輸完成。輸出電容C4開始放電,，并保持恒定的輸出功率,。L1仍由輸入電壓充電，直至 Q1 關(guān)斷,，充電電流在C1,、D5、Q1和L1之間循環(huán)（如圖 5a 所示）,。一旦Q1關(guān)斷,，Q2的Coss開始放電，并參與諧振,。在t4期間,，Q2的Coss完全放電，VDS降至0,，ZVS導通實現(xiàn),。

　　圖6：工作狀態(tài)5（t4-t5）

　　工作狀態(tài)5（t4-t5）：如圖6所示，Q2的Coss完全放電后,，ZVS在t4期間導通,。L1開始放電并為系統(tǒng)供電，電感電流流經(jīng)C1,、D5,、C3、Q2，然后循環(huán)回來,。Cr對Lr持續(xù)充電,，Lm在退磁模式下工作，T1的一次側(cè)繞組的極性變成下正上負,，整流器D8變成正向,，電能通過D8傳輸?shù)截撦d。

　　圖7：工作狀態(tài)6（t5-t6）

　　工作狀態(tài)6（t5-t6）：如圖7所示,，在此期間,，L1放電回路與狀態(tài)5相同，不同之處在于諧振回路電流方向相反,，Lr開始對Cr充電,，Lm反向磁化。T1的一次側(cè)繞組的極性仍為下正上負,，D8保持導通,，二次側(cè)電流流過D8，為C4和負載供電,。

　　圖8：工作狀態(tài)7（t6-t7）

　　工作狀態(tài)7（t6-t7）：如圖8所示,，此時Q1處于關(guān)斷狀態(tài)，Q2處于導通狀態(tài),。L1存儲的電能完全耗盡,，電感器開始由輸入電壓源通過C2充電。充電電流在C2,、L1,、Q2、D6之間循環(huán)流動,。D5自然切斷,。在LLC 諧振回路中，一次側(cè)繞組的極性為下正上負,，電能輸送到二次側(cè),，同時電流通過 D8 流向負載。

　　圖9：工作狀態(tài)8（t7-t8）

　　工作狀態(tài)8（t7-t8）：如圖9所示,，L1充電回路不變,。 在t7期間，諧振電流等于 Lm 磁感應(yīng)電流,，沒有電能通過 T1 傳輸,。在 ZCS 模式下，二次側(cè)的D8關(guān)閉,。輸出電容器C4開始放電,，并為負載供電,。

　　在上述操作狀態(tài)的描述中，我們沒有單獨分析死區(qū)時間,。實際上,，當兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感器 L1的電流將通過MOS體二極管繼續(xù)流動,，并對 MOSFET 電容器放電,，從而實現(xiàn)ZVS。諧振回路的工作模式與LLC 相同,，此處不做過多描述,。

　　整個拓撲工作順序如圖10所示，周期從t0開始,，到t8結(jié)束,，分為8個工作狀態(tài)。死區(qū)時間的工作策略與傳統(tǒng)LLC相同,，易于理解,。在t0之前，Q1的VDS已降至0,，因此當Q1在t0導通時,， ZVS實現(xiàn)，然后一次側(cè)諧振電流上升,，并伴隨整個諧振周期。

　　圖10 工作順序圖

　　1.仿真與驗證

　　1.1仿真

　　為了驗證單級AC-DC轉(zhuǎn)換器的操作和控制原理,，我們使用SIMetrix軟件進行了專業(yè)仿真,。示意圖如圖11所示。

　　圖11 仿真示意圖

　　該示意圖包括橋式整流器D1-D4,、濾波電容C1和C2,、續(xù)流二極管D5和D6、開關(guān)MOS Q1和Q2,、大容量電容C3,、諧振電容Cr、諧振電感Lr以及二次側(cè)整流二極管D7和D8,。仿真參數(shù)如下表1所示,，其中，主要元件的參數(shù)為：C1,、C2 330nF,、L1 50uH、Lr 120uH,、Cr 22nF,、Lm 380uH,，變壓器匝數(shù)比為8.5:1。仿真結(jié)果和波形如下所示,。

　　表1：仿真參數(shù)

　　圖12：PFC 輸入電流 vs 輸入電壓

　　圖12提供了交流輸入電壓與交流輸入電流的對比波形,。圖13顯示了放大后的電感器電流和輸入電壓。該拓撲結(jié)構(gòu)理想地實現(xiàn)了PFC功能,。DCM工作策略使得該拓撲結(jié)構(gòu)更適合有PFC功能需求的中小功率AC-DC SMPS應(yīng)用,。

　　圖13：IL和AC 輸入的波形（放大后）

　　圖14：Q2 ZVS導通波形

　　圖15：Q1 ZVS導通波形

　　Q1和Q2的ZVS導通特性如圖14和15所示，當MOS的VDS諧振達到0時,，柵極導通,，ZVS實現(xiàn)，ZVS的行為與 LLC 拓撲結(jié)構(gòu)類似,。

　　1.1演示功能驗證

　　為了驗證該工作原理在實際案例中的有效性,，我們構(gòu)建了一個基于300w LLC演示板的高功率因數(shù)單級AC-DC轉(zhuǎn)換器。它的規(guī)格如下：輸入電壓180Vac,，輸出功率12V/25A,，諧振電容Cr 66nF，諧振電感Lr 54uH,，變壓器磁感690uH,，匝數(shù)比16.5:1。

　　在演示中,，我們測量了交流輸入電壓和電流,，測量結(jié)果均與仿真結(jié)果相符，實現(xiàn)了預期的PFC功能,。諧振回路可以在一次側(cè)實現(xiàn)ZVS導通,，在二次側(cè)實現(xiàn)SR二極管ZSC關(guān)斷。電能傳輸至二次側(cè),，不會與LLC功能產(chǎn)生任何沖突,。此外，諧波電流也得到了很好的匹配,。

　　2.總結(jié)

　　本文研究了一種具有PFC功能拓撲結(jié)構(gòu)的單級 AC-DC 轉(zhuǎn)換器,。與傳統(tǒng)的兩級拓撲結(jié)構(gòu)相比，即經(jīng)典的PFC+LLC,，這種新拓撲結(jié)構(gòu)將兩個電路結(jié)合在一起,，并在半橋結(jié)構(gòu)中共用一對 MOS，這有利于降低物料清單（BOM）成本和提高功率密度,。由于該拓撲只有一個功率電感在DCM模式下工作,，因此更適合需要高功率因數(shù)的中小型功率SMPS應(yīng)用，例如：LED照明,、快速充電器等,。

　　參考文獻

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[4]:https://www.infineon.com/cms/en/product/power/ac-dc-power-conversion/ac-dc-pwm-pfc-controller/llc-resonant-mode-controller/ice2hs01g/

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